基于Buck變換器的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)【適合做課程設(shè)計(jì)】

1、基于Buck變換器的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)摘要 一個(gè)高可靠性的電源系統(tǒng)需要大功率寬電壓輸入范圍的DC/DC變換，在充分考慮不同DC/DC變換器拓?fù)涮攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，選用Buck作為系統(tǒng)的電路拓?fù)?。本文介紹了Buck電路的工作原理，對(duì)整個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，并附以相關(guān)電路圖表示。并選擇符合規(guī)范的元器件，計(jì)算產(chǎn)品的成本。關(guān)鍵詞 Buck拓?fù)?；DC/DC；開(kāi)關(guān)電源；MC34063第一章 概述開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率器件（MOSFET、三極管等）的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的一種穩(wěn)壓電源，具有轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。1.1基本要求輸入直流9V-12V，輸出5V，5W；開(kāi)關(guān)振

2、蕩頻率40KHz。1.2方案設(shè)計(jì)采用MOSFET作為功率轉(zhuǎn)換元件，MOSFET具有壓降小，輸入電阻高，動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)?？刂品桨覆捎眉呻娐稭C34063單路PWM控制芯片，極大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。第二章 開(kāi)關(guān)電源輸入與控制部分設(shè)計(jì)2.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理開(kāi)關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)方式，只有導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，圖2-1為工作過(guò)程?；鶞?zhǔn)電壓為固定值，由于輸入波動(dòng)或負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓減小，采樣電壓將減小，經(jīng)過(guò)比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個(gè)誤差，提高占空比使輸出電壓增大。同理，當(dāng)由于輸入波動(dòng)或負(fù)載變化導(dǎo)致輸入電壓增大時(shí)，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。圖2-1 開(kāi)關(guān)電

3、源原理框圖2.2 Buck調(diào)整器的基本工作方式Buck調(diào)整器的基本電路如圖2-2所示，晶體管Q1與直流輸入電壓串聯(lián)，通過(guò)Q1的開(kāi)通與關(guān)斷，在V1處產(chǎn)生方波電壓，采用恒頻占空比可調(diào)的方式（PWM），在V1出產(chǎn)生方波電壓，Q1導(dǎo)通時(shí)間為。Q1導(dǎo)通時(shí)V1點(diǎn)電壓為，電流通過(guò)串接的電感L0流入輸出端，Q1關(guān)斷時(shí)，電感L0產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，使V1點(diǎn)電壓迅速下降到0并變負(fù)，直至被D1鉗位于-0.8V。假設(shè)二極管導(dǎo)通壓降為0，則V1點(diǎn)電壓為矩形波，該方波電壓平均值為。LC濾波器接于V1與Vo之間，它使輸出點(diǎn)Vo成為幅值等于的直流電壓。采樣電阻R1和R2檢測(cè)輸出電壓Vo，并將其輸入誤差放大器，與參考電壓比較，被放大

4、的誤差被輸入到脈寬調(diào)制器中，因此，PWM輸出的脈沖寬度與誤差放大器的輸出電壓成比例，。圖2-2 Buck典型拓?fù)浼爸饕ㄐ?.3 電源管理芯片MC34063MC34063包含了DC/DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價(jià)格便宜。它由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，RS觸發(fā)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構(gòu)成的DC/DC變換器僅用少量的外部元器件。工作電壓比較寬。圖2-3 MC34063結(jié)構(gòu)圖2.3.1 引腳功能1腳：開(kāi)關(guān)管Q1集電極引出端；2腳：開(kāi)關(guān)管Q1發(fā)射極引出端；3腳：定時(shí)電容接線端；調(diào)節(jié)Ct

5、可使工作頻率在100100kHz范圍內(nèi)變化；4腳：電源地；5腳：電壓比較器反相輸入端，同時(shí)也是輸出電壓取樣端；6腳：電源端；7腳：負(fù)載峰值電流（Ipk）取樣端；6，7腳之間電壓超過(guò)300mV時(shí)，芯片將啟動(dòng)內(nèi)部過(guò)流保護(hù)功能；8腳：驅(qū)動(dòng)管Q2集電極引出端。2.3.2 外圍電路參數(shù)設(shè)計(jì)定時(shí)電容的選取根據(jù)公式：C0.000004×Ton，要求40KHz工作頻率時(shí)，C=100pF。功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電阻選擇10。以盡量減小方波邊沿時(shí)間。過(guò)流保護(hù)采樣電阻：假設(shè)輸入電流超過(guò)1A時(shí)，啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)功能。采樣電阻設(shè)在6、7腳之間，R=U/Imax=0.3，電阻最大熱功耗=0.3W。此處選擇0.5W

6、，0.3大功率電阻。輸出采樣電阻設(shè)計(jì)：要求5V輸出，且損耗盡可能小，芯片內(nèi)部集成1.25V基準(zhǔn)電壓，輸出采用電阻分壓方案。分壓比為3:1。采用精密電阻10K與30K串聯(lián)，靜態(tài)電流0.125mA。2.3.3 MOSFET的選擇根據(jù)要求。在本次設(shè)計(jì)中選擇IRF530N, 。第三章 開(kāi)關(guān)電源輸出電路設(shè)計(jì)輸出電路采用LC電路。圖3-1 輸出濾波電路模型當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電能儲(chǔ)存在電感中，同時(shí)也流向負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，由于電感上的電流不能突變，儲(chǔ)存于電感中的能量繼續(xù)供給負(fù)載，此時(shí)續(xù)流二極管導(dǎo)通，構(gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。假設(shè)要求紋波電壓小于50mV。直流輸出電流為規(guī)定電流的10%。3.1

7、 儲(chǔ)能電感的選擇電感電流的斜坡為,如圖2-2（d）所示，當(dāng)直流電流等于電感電流斜坡峰峰值一半時(shí)，進(jìn)入不連續(xù)工作模式，則而且式中接近，所以已知輸入電壓最大為12V，開(kāi)關(guān)頻率為40KHz，輸出電壓為5V，電流為1A。此處選用470uH，2A的功率電感。3.2 濾波電容的選擇輸出電容C并非理想電容，可等效于串聯(lián)電阻（ESR）、串聯(lián)電感（ESL）與純電容C的串聯(lián)。對(duì)于低頻電路，ESL可以忽略。輸出紋波主要由ESR來(lái)決定。一般常用鋁電解電容的RC值近似為一個(gè)常數(shù)，為。利用典型ESR-容值關(guān)系，根據(jù)公式得：選擇16V，1000uF的普通鋁電解電容。3.3 續(xù)流二極管的選擇根據(jù)Buck變換器的工作原理，開(kāi)關(guān)

8、截止時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為電能，二極管起到續(xù)流作用，二極管正向額定電流需大于負(fù)載電流，耐壓值大于輸入電壓，同時(shí)為了使截止到導(dǎo)通時(shí)間盡量短，選擇超快恢復(fù)二極管，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，選擇正向電流不小于1A的超快恢復(fù)二極管。此處選擇HER101，最短恢復(fù)時(shí)間為50ns。第四章 電路圖與產(chǎn)品工藝4.1 整體電路圖圖4-1 電路圖4-2 元器件清單表4-1 元器件清單名稱生產(chǎn)廠商價(jià)格MC34063AIC0.50IRF530NIR2.00HER101HY0.10.3功率電阻-0.0210電阻-0.0130K精密電阻-0.3010K精密電阻-0.30100pF電容-0.011000uF電容RUBY

9、CON0.5470uH電感-1.00印刷電路板-1.00合計(jì)5.74第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)在方案選擇過(guò)程中，因?yàn)榭紤]到是非隔離電源，使用集成PWM調(diào)制芯片簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，在分析了UC3842，SG3525等芯片的功能與參數(shù)后，選擇MC34063作為控制方案，該芯片本身也有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可直接外接濾波電路與反饋電路來(lái)進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。在本方案中，通過(guò)外接場(chǎng)效應(yīng)管的方式極大增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力，該場(chǎng)效應(yīng)管最大電流可到達(dá)17A以上，設(shè)計(jì)中僅利用不到1A，如果更換濾波電路中的元器件，輸出功率可以得到數(shù)倍的提升。如果將采樣電阻改為電位器，還可以靈活調(diào)節(jié)輸出電壓。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)模擬電子技術(shù)，電力電子技術(shù)和電子產(chǎn)品工藝等有了更深刻的認(rèn)識(shí)，解決了很多實(shí)際性的問(wèn)題。熟悉了一些電源芯片的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，并與Buck拓?fù)湎嘟Y(jié)合，設(shè)計(jì)出符合要求的電路。在大量瀏覽課本、課外書籍與互聯(lián)網(wǎng)資料的過(guò)程中逐步